Timoti Grej iz Nacionalne laboratorije Oak Ridž odeljenja za energetiku vodio je studiju koja je možda otkrila neočekivanu promenu u obliku atomskog jezgra. Iznenađujuće otkriće moglo bi uticati na naše razumevanje toga šta drži jezgra zajedno, kako protoni i neutroni interaguju i kako se elementi formiraju.
„Koristili smo radioaktivne zrake pobuđenih jezgara natrijum-32 da testiramo naše razumevanje nuklearnih oblika daleko od stabilnosti i pronašli smo neočekivani rezultat koji postavlja pitanja o tome kako se nuklearni oblici razvijaju“, rekao je Grej, nuklearni fizičar. Rezultati su objavljeni u Phisical Reviev Letters.
Oblici i energije atomskih jezgara mogu se vremenom menjati između različitih konfiguracija. Tipično, jezgra žive kao kvantni entiteti koji imaju sferni ili deformisani oblik. Prvi liče na košarkaške lopte, a drugi na američki fudbal.
Kako su oblici i nivoi energije povezani, glavno je otvoreno pitanje za naučnu zajednicu. Modeli nuklearne strukture imaju problema sa ekstrapolacijom na regione sa malo eksperimentalnih podataka.
Za neka egzotična radioaktivna jezgra, oblici predviđeni tradicionalnim modelima su suprotni od uočenih. Pokazalo se da su radioaktivna jezgra za koja se očekivalo da budu sferna u svom osnovnom stanju, ili konfiguracijama najniže energije, deformisana.
U principu, energija pobuđenog deformisanog stanja može pasti ispod energije sfernog osnovnog stanja, čineći sferni oblik visokoenergetskim. Neočekivano, izgleda da se ova zamena uloga dešava za neka egzotična jezgra kada prirodni odnos neutrona i protona postane neuravnotežen. Ipak, pobuđena sferna stanja nakon preokreta nikada nisu pronađena. Kao da kada se osnovno stanje deformiše, to rade i sva pobuđena stanja.
Postoji mnogo primera jezgara sa sfernim osnovnim stanjima i deformisanim pobuđenim stanjima. Slično tome, mnoga jezgra imaju deformisana osnovna stanja i kasnija pobuđena stanja koja su takođe deformisana – ponekad sa različitim količinama ili vrstama deformacija. Međutim, jezgra sa deformisanim osnovnim stanjima i sfernim pobuđenim stanjima su mnogo neuhvatljivija.
Koristeći podatke prikupljene 2022. iz prvog eksperimenta u Postrojenju za zrake retkih izotopa, ili FRIB, korisničkom objektu DOE Kancelarije za nauku na Državnom univerzitetu u Mičigenu, Grejev tim je otkrio dugovečno uzbuđeno stanje radioaktivnog natrijuma-32. Novo uočeno pobuđeno stanje ima neobično dug životni vek od 24 mikrosekunde – oko milion puta duže od tipičnog nuklearnog pobuđenog stanja.
Dugotrajna pobuđena stanja nazivaju se izomeri. Dug životni vek ukazuje da se dešava nešto neočekivano. Na primer, ako je pobuđeno stanje sferično, teškoća u povratku u deformisano osnovno stanje mogla bi da objasni njegov dug život.
U studiji je učestvovalo 66 učesnika sa 20 univerziteta i nacionalnih laboratorija. Glavni istraživači došli su iz Nacionalne laboratorije Lorens Berkli, Državnog univerziteta Floride, Državnog univerziteta Misisipija, Univerziteta Tenesi, Noksvila i ORNL-a.
Eksperiment iz 2022. koji je generisao podatke korišćene za rezultat iz 2023. koristio je inicijator FRIB Decai Station ili FDSi, modularni multidetektorski sistem koji je izuzetno osetljiv na retke potpise raspadanja izotopa.
„FDSi-ova raznovrsna kombinacija detektora pokazuje da se dugotrajno pobuđeno stanje natrijuma-32 isporučuje unutar FRIB zraka i da se zatim interno raspada emitujući gama-zrake u osnovno stanje istog jezgra“, rekao je Mitch Allmond iz ORNL-a. koautor rada koji rukovodi projektom FDSi.
Da bi se zaustavio FRIB-ov visokoenergetski radioaktivni snop, koji putuje brzinom od oko 50% brzine svetlosti, implantacijski detektor koji je izgradio UT Knokville postavljen je u centar FDSi-a. Severno od linije snopa nalazio se niz detektora gama zraka pod nazivom DEGAi, koji se sastoji od 11 detektora u stilu germanijumske deteline i 15 brzih detektora lantan bromida. Južno od linije snopa nalazilo se 88 modula detektora zvanog NEKSTi za merenje vremena leta neutrona emitovanih u radioaktivnom raspadu.
Snop pobuđenih jezgara natrijum-32 zaustavio se u detektoru i raspao se u deformisano osnovno stanje emitujući gama zrake. Analiza spektra gama zraka da bi se uočila vremenska razlika između implantacije zraka i emisije gama zraka otkrila je koliko dugo je pobuđeno stanje postojalo. Postojanje novog izomera od 24 mikrosekunde bilo je najduži životni vek viđen među izomerima sa 20 do 28 neutrona koji se raspadaju emisijom gama zraka. Primećeno je da je približno 1,8% jezgara natrijum-32 novi izomer.
„Možemo da smislimo dva različita modela koji podjednako dobro objašnjavaju energije i životni vek koje smo primetili u eksperimentu“, rekao je Grej.
Potreban je eksperiment sa većom snagom snopa da bi se utvrdilo da li je pobuđeno stanje u natrijum-32 sferično. Ako jeste, onda bi stanje imalo šest kvantizovanih jedinica ugaonog momenta, što je kvalitet jezgra koji se odnosi na njegovu rotaciju celog tela ili orbitalno kretanje njegovih pojedinačnih protona i/ili neutrona oko centra mase. Međutim, ako je pobuđeno stanje u natrijum-32 deformisano, tada bi stanje imalo nula kvantizovanih jedinica ugaonog momenta.
Planirana nadogradnja na FRIB će obezbediti više snage, povećavajući broj jezgara u snopu. Podaci iz intenzivnijeg snopa omogućiće eksperiment koji pravi razliku između ove dve mogućnosti.
„Okarakterisali bismo korelacije između uglova dva gama zraka koji se emituju u kaskadi“, rekao je Grej. „Dve mogućnosti imaju veoma različite ugaone korelacije između gama zraka. Ako imamo dovoljno statistike, mogli bismo da razdvojimo obrazac koji otkriva jasan odgovor.“
